Měření délkového prodloužení

Materiály se mohou deformovat vlivem tepelných a mechanických účinků. Příkladem takové změny tvaru je deformace délkové prodloužení. Tímto termínem se označuje relativní změna délky součásti nebo materiálu pod vlivem mechanického namáhání (síly) nebo působením tepla a chladu. Působí-li na součást vnější síla, prodlužuje se (kladná deformace, roztahování). Prodloužení, které vzniká jako reakce na působení síly, způsobuje deformaci materiálu. Pokud je součást vystavena tlaku, dochází k jejímu stlačení (záporná deformace, zkrácení). Pokud dojde ke změně teploty materiálu, která zvětší jeho rozměry, označuje se to jako tepelná deformace. Vysoké teploty způsobují kladné tepelné prodloužení, chlad záporné prodloužení. Kromě toho dochází k protahování v důsledku vnitřního pnutí. K těmto deformacím dochází během kování a svařování součástí. Deformace délkového prodloužení bývají také způsobeny magnetickým nebo elektrickým polem.

Pro výpočet délkového prodloužení materiálu se změna délky vydělí původní délkou a vyjádří se v mikrometrech na metr (μm/m). U mnoha materiálů je délková deformace úměrná působící síle. K protažení může docházet v podélném směru nebo v důsledku příčného smrštění kolmo ke směru působení síly. Pokud působí tahové, tlakové a smykové síly společně, je výsledkem prodloužení ve všech směrech. Tyto složité deformace lze také simulovat na počítači.

Materiály se liší svým délkovým prodloužením: Ocel se při působení síly deformuje méně než pryž. Titan se vlivem tepla neroztahuje tolik jako hliník. Příčinu prodloužení součástí udávají materiálové koeficienty nebo moduly. Pokud jde o mechanické namáhání, je prodloužení vyjádřeno modulem pružnosti. Koeficient tepelné roztažnosti popisuje délkové prodloužení způsobené vlivem tepla. Velké množství materiálů se roztahuje rovnoměrně ve všech směrech. Naproti tomu se délkové prodloužení způsobené mechanickým namáháním projevuje obvykle ve směru působení této síly. Délkové prodloužení lze vypočítat a také experimentálně změřit.

Nejčastěji používanými metodami pro měření délkového prodloužení jsou dnes elektrická a optická měření pomocí tenzometrů – proužků pro měření délkového prodloužení (EMS). Pokud je měřicí proužek vyroben z kovové fólie, může měřit prodloužení od 1/100 do 1/10 μm/m. Polovodičové proužky umožňují přesnou detekci změny délky v rozsahu 1/1000 až 1/100 μm/m. Měřicí proužek vždy udává střední prodloužení materiálu, ke kterému je připevněn speciálním lepidlem. V závislosti na okolních podmínkách se používají tenzometry různých velikostí.

Proužky pro elektrické měření jsou také známé jako fóliové tenzometry. Jsou k dispozici již více než 80 let, skládají se ze dvou tenkých polyamidových fólií s integrovanou měřicí mřížkou z konstantanu. Pro měření se obvykle používají můstkové obvody. Místo kovové měřicí mřížky lze použít také křemíkovou mřížku (polovodičové tenzometry). Tyto proužky pro měření prodloužení jsou mnohem citlivější než kovové proužky. Elektrické tenzometry mají velikost od 0,2 do 150 mm. Při konvenčním měření jsou možné odchylky v rozmezí 0,1 až 1 % od hodnoty plného rozsahu stupnice.

Při natahování se odpor v měřicí mřížce zvyšuje, což způsobuje její deformaci. Citlivost při detekci deformace se u polovodičových tenzometrů liší podle orientace krystalu a křemíku (typ n nebo typ p). Tyto tenzometry umožňují bezchybné výsledky měření ve frekvenčním rozsahu od 5 do 8 MHz. Maximální provozní napětí závisí na velikosti měřicí proužku a materiálu. Tenzometry standardních velikostí, spojené s dobrými tepelnými vodiči, vydrží 5 až 10 V. Optické měření délkového prodloužení se provádí pomocí vláknových optických senzorů (fiber optic sensors FOS), které jsou přilepeny nebo přivařeny k příslušnému materiálu.

Tyto optické tenzometry jsou také známé jako senzory s vláknovou Braggovskou mřížkou. Jsou necitlivé na elektromagnetické rušení a další nepříznivé podmínky. Používají se proto v případech, kdy nelze použít elektrické měřicí proužky, například při teplotách -270 až 300 °C. Optický tenzometr má jako jádro plastem potažené křemenné skleněné vlákno, které je obklopeno hustším pláštěm a ochranným plastovým povlakem. Vlákno obsahuje několik vláknových Braggovských mřížek. Když laserové světlo přiváděné zvenčí přes interogátor dopadne na tuto mřížku, část světelných paprsků se odrazí a vrátí zpět do interogátoru. Z toho lze určit napětí v materiálu a deformace

Pokud se vlákno během měření natáhne, vzdálenosti mezi jednotlivými částmi mřížky se zvětší. Současně se mění vlnová délka odraženého světla. Protože každé vlákno může obsahovat nespočet Braggovských mřížek, je toto měření prodloužení vhodné pro monitorování potrubí a tunelů. Na rozdíl od elektrického měření prodloužení, při kterém musí být každý měřicí proužek připojen k samostatnému propojovacímu kabelu, stačí pro optické tenzometry jeden optický kabel. To šetří úsilí a náklady na instalaci.

Měření délkového prodloužení má tu výhodu, že i extrémně malé deformace lze stanovit velice přesně a že je lze použít téměř univerzálně pomocí různých tenzometrů. Součásti lze tak sledovat po celé roky. Měření délkového prodloužení lze provádět i na složitých součástech (pouzdra z tlakově litého hliníku, oběžná kola turbín) a pod vodou pomocí tenzometrů.

Měření prodloužení lze provádět také pomocí optických měřicích systémů s vysokorozlišovacími kamerami, jako je například systém ARAMIS od společnosti ZEISS. Testovaný materiál je třeba pouze předem označit měřicí mřížkou pomocí značkovacího laseru. Zatímco se materiál deformuje, pořizují dvě kamery jeho snímky. Měření 3D prodloužení lze provádět i na součástech se složitou geometrií. Na základě naměřených pixelových souřadnic naneseného vzoru lze pomocí speciálního softwaru ZEISS přesně vypočítat délkové prodloužení. Optický měřicí systém se může trvale namontovat na příslušný zkušební stroj.

Měření délkového prodloužení se provádí různými metodami, které jsou omezeny na konkrétní oblasti použití. Měření samotná jsou všestranná a lze je použít v různých průmyslových odvětvích.